并聯(lián)型骨外固定器在上肢畸形矯正中的應(yīng)用

魏夢(mèng)婷，張習(xí)帥，孫 昊，2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 智能康復(fù)裝置與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，天津300130）

并聯(lián)型骨外固定器在上肢畸形矯正中的應(yīng)用

魏夢(mèng)婷1，張習(xí)帥1，孫 昊1，2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 智能康復(fù)裝置與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，天津300130）

常規(guī)的串聯(lián)型骨外固定器無(wú)法治療多維畸形的同期矯正.因此，將6-DOF并聯(lián)型機(jī)器人與骨外固定技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于治療復(fù)雜上肢畸形，可同時(shí)矯正四維畸形．而此技術(shù)存在人為主觀上無(wú)法計(jì)算各驅(qū)動(dòng)桿伸縮量及觀測(cè)畸形骨段狀態(tài)信息的問題．由此自主開發(fā)配套計(jì)算機(jī)軟件．醫(yī)生將由術(shù)后X線片測(cè)量的相關(guān)參數(shù)輸入軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算生成6根驅(qū)動(dòng)桿每日調(diào)節(jié)量的電子處方，從而指導(dǎo)醫(yī)生及患者通過(guò)漸進(jìn)的調(diào)整驅(qū)動(dòng)桿伸長(zhǎng)或短縮來(lái)完成畸形矯正．同時(shí)，對(duì)整個(gè)矯正過(guò)程進(jìn)行位姿三維仿真，使醫(yī)生能夠直觀的分析畸形狀態(tài)．臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用并聯(lián)型骨外固定器進(jìn)行上肢畸形矯正獲得了理想的治療效果.應(yīng)用此技術(shù)提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率和畸形矯正的調(diào)整精度，使得畸形矯正過(guò)程簡(jiǎn)單化、精準(zhǔn)化、數(shù)字化．

并聯(lián)機(jī)構(gòu)；6-DOF；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；骨外固定器；畸形矯正

上肢畸形[1]矯正一直是骨外科醫(yī)生面臨的最為棘手的問題之一．上肢的功能及解剖尤其復(fù)雜，從肩部到手上肢關(guān)節(jié)鏈可實(shí)現(xiàn)多個(gè)活動(dòng)自由度．肘關(guān)節(jié)的屈伸及同步的前臂旋前旋后是上肢功能中最重要的一個(gè)．上肢的畸形矯正、功能重建與下肢相比，要求手術(shù)創(chuàng)傷小，固定時(shí)間短，盡量少的干擾前臂的旋轉(zhuǎn)與手的靈活運(yùn)動(dòng)功能．而傳統(tǒng)的串聯(lián)型Ilizarov骨外固定技術(shù)[2-3]只能實(shí)現(xiàn)單一平面上位移或角度的調(diào)整．在矯正多維畸形時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)有殘留畸形的情況，此時(shí)需要進(jìn)行框架調(diào)整及部件的置換，每次框架的重新安裝都是一個(gè)勞動(dòng)量相當(dāng)大的過(guò)程，甚至可能導(dǎo)致二次位移，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益重視的精準(zhǔn)醫(yī)療理念．因此迫切需要一種先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備，能夠精準(zhǔn)、高效地幫助患者進(jìn)行畸形矯正．

六自由度（Six Degrees of Freedom，6-DOF）并聯(lián)機(jī)器人不僅具有位姿精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，而且可實(shí)現(xiàn)三維空間中六自由度運(yùn)動(dòng)[6-7]．目前在國(guó)內(nèi)，六自由度在畸形矯正領(lǐng)域處于初步發(fā)展階段，技術(shù)很不成熟.而在國(guó)外，以Taylor空間外固定器[8]為代表，但是其價(jià)格昂貴，且需要具備專業(yè)技能的醫(yī)生才能使用，它尚未成為常規(guī)醫(yī)療設(shè)備.在傳統(tǒng)正骨手法[9]的基礎(chǔ)上，將6-DOF并聯(lián)型機(jī)器人技術(shù)與骨外固定技術(shù)相結(jié)合為并聯(lián)型骨外固定器，應(yīng)用于上肢畸形矯正，通過(guò)對(duì)任何一種畸形狀態(tài)進(jìn)行六軸分析[10]，完成成角、移位、旋轉(zhuǎn)、短縮或分離等多維畸形[11]的同期矯正．但在矯正過(guò)程中存在2個(gè)問題：一方面，6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位姿是6根驅(qū)動(dòng)桿協(xié)同工作的結(jié)果，而人為主觀上無(wú)法計(jì)算6根驅(qū)動(dòng)桿的伸縮量；另一方面，由于可視信息的局限性，無(wú)法看到矯正過(guò)程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．因此，通過(guò)設(shè)計(jì)畸形矯正算法，開發(fā)配套計(jì)算機(jī)軟件，生成能夠指導(dǎo)醫(yī)生及患者進(jìn)行桿長(zhǎng)調(diào)節(jié)的電子處方，并引入VRML技術(shù)，對(duì)畸形矯正過(guò)程進(jìn)行三維仿真，便于醫(yī)生觀察并聯(lián)型骨外固定器及畸形骨段的位姿狀態(tài)．

1 畸形矯正原理

首先，醫(yī)生選取畸形骨參照斷裂處的近端或遠(yuǎn)端為參照骨段，則另一端為移動(dòng)骨段．然后手術(shù)安裝參照環(huán)，使之與參照骨段骨干縱軸垂直，安裝移動(dòng)環(huán)于移動(dòng)骨段在患者舒適的位置，2個(gè)環(huán)分別與對(duì)應(yīng)的骨段成為2個(gè)整體．最后連接6根驅(qū)動(dòng)桿后拍攝正側(cè)位X線片．以起始點(diǎn)為原點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系，對(duì)畸形狀態(tài)進(jìn)行六軸分析，并測(cè)量畸形參數(shù)、框架參數(shù)及初始桿長(zhǎng)參數(shù)，將測(cè)量后的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)軟件，生成驅(qū)動(dòng)桿每日調(diào)節(jié)量的電子處方．通過(guò)同時(shí)調(diào)整6根驅(qū)動(dòng)桿的伸長(zhǎng)量從而改變移動(dòng)環(huán)的位姿，使其帶動(dòng)移動(dòng)骨段進(jìn)行與參照骨段間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到畸形矯正的目的．

圖1 參數(shù)測(cè)量Fig．1 Parameter measurement

2 畸形矯正算法

2.1 數(shù)學(xué)模型

分別以參照環(huán)和移動(dòng)環(huán)的中心為原點(diǎn)，建立笛卡爾右手局部坐標(biāo)系{P}和{B}．Xp軸正方向指向p1、p2的連線，Zp軸垂直于參照環(huán)指向上．Xb軸正方向指向b1、b2的連線，Zb軸垂直于移動(dòng)環(huán)指向上．定義pi與Xp軸的夾角為λi，bi與Xb軸的夾角為Λi，參照環(huán)與移動(dòng)環(huán)短邊所對(duì)中心角分別為θp與θb．則pi點(diǎn)和bi點(diǎn)的位置向量分別為：

式中：i=1，2，…，6；rp和rb分別為參照環(huán)和移動(dòng)環(huán)外接圓的半徑．

圖2 參照環(huán)和移動(dòng)環(huán)各連接點(diǎn)定義Fig．2 Definitions of the connection points in the reference ring and the moving ring

定義6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)的2個(gè)工作空間為移動(dòng)環(huán)位姿向量 [x0y0z0α0β0γ0]T和6根驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度向量[l1l2l3l4l5l6]T．兩者關(guān)系為：已知移動(dòng)環(huán)位姿，求得6根驅(qū)動(dòng)桿桿長(zhǎng)的過(guò)程為反解；已知6根驅(qū)動(dòng)桿桿長(zhǎng)，求得移動(dòng)環(huán)位姿的過(guò)程為正解．

2.2 位姿反解

移動(dòng)環(huán)繞坐標(biāo)軸Xp、Yp、Zp旋轉(zhuǎn)的角度為α、β、γ，位移為x、y、z，則移動(dòng)環(huán)與參照環(huán)間的位置關(guān)系為

其中：R為移動(dòng)環(huán)在坐標(biāo)系 {P}下的方向余弦矩陣；q為移動(dòng)環(huán)在坐標(biāo)系 {P}下的位置矢量[x y z 1]T．

則各驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度為

2.3 位姿正解

要想得到畸形矯正時(shí)6根驅(qū)動(dòng)桿的最終桿長(zhǎng)，就必須知道移動(dòng)環(huán)的位姿．此正解過(guò)程采用三維優(yōu)化算法進(jìn)行求解．

進(jìn)而得出另外形式的6個(gè)獨(dú)立方程如下：

因?yàn)槭剑?） 中3組方程間相互獨(dú)立，經(jīng)化簡(jiǎn)結(jié)果表明dij均可由XP、YP、ZP來(lái)表示，最后得出僅包含三維變量（XPYPZP）的方程．

構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)式（12），給定6根驅(qū)動(dòng)桿的初始桿長(zhǎng)，通過(guò)優(yōu)化理論進(jìn)行求解，最終即可求得移動(dòng)環(huán)相對(duì)參照環(huán)的初始位姿．

3VRML仿真

在畸形矯正中，由于無(wú)法看到患者畸形骨段的狀態(tài)信息，因此采用VRML技術(shù)對(duì)處方調(diào)整過(guò)程中隨機(jī)一天的并聯(lián)型骨外固定器支架及畸形骨段進(jìn)行位姿三維仿真．醫(yī)生既可將矯正前的初始位姿狀態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)做對(duì)比，又能根據(jù)對(duì)矯正過(guò)程的位姿仿真，確定治療方案是否可行．

運(yùn)用Transform坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建并聯(lián)型骨外固定器支架和畸形骨段的整體造型時(shí)，需將方向余弦矩陣轉(zhuǎn)化為等效旋轉(zhuǎn)軸 [x′y′z′]及旋轉(zhuǎn)角θ的形式．

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

以左上肢畸形為例，給定初始6根驅(qū)動(dòng)桿的桿長(zhǎng)為：197 mm，180 mm，184 mm，169 mm，168 mm，190 mm．定義畸形參數(shù)：正位位移，內(nèi)側(cè)12.9 mm；側(cè)位位移，前部15.0 mm；軸向位移，過(guò)長(zhǎng)11.0 mm；正位角度，外翻10.0°；側(cè)位角度，屈曲10.0°．框架參數(shù)：參考環(huán)中心正位偏移，前部5.0 mm；參考環(huán)中心軸向偏移，65.0 mm．

給定療程15 d，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后求得最終驅(qū)動(dòng)桿桿長(zhǎng)為：172 mm，165 mm，177 mm，170 mm，163 mm，167 mm.并生成電子處方如圖3．同時(shí)，模擬仿真得到骨外固定器及畸形骨段的位姿圖像．其中，矯正前的位姿如圖4a）所示，按照處方調(diào)整過(guò)程中，隨機(jī)第7 d的位姿圖像為圖4b），最終療程結(jié)束時(shí)，其仿真圖像如圖4c），通過(guò)位姿三維仿真，可看出畸形狀態(tài)明顯改善，對(duì)治療過(guò)程及最終效果有直觀的分析．

圖3 電子處方模塊Fig．3 Electronic prescription module

圖4 三維仿真模塊Fig．4 Three-dimensional simulation module

4.2 臨床實(shí)驗(yàn)

女，18歲，左側(cè)肘關(guān)節(jié)攣縮畸形，伸直功能受限，活動(dòng)度50.0°，影響日常自行進(jìn)食，其外觀像如圖5a）．跨肘安裝并聯(lián)型骨外固定器，近側(cè)全環(huán)以肱骨及肘關(guān)節(jié)縱軸為基準(zhǔn)安裝參照環(huán)，遠(yuǎn)側(cè)前臂安裝移動(dòng)環(huán)．手術(shù)后6根驅(qū)動(dòng)桿桿長(zhǎng)為：145 mm，148 mm，199 mm，208 mm，221 mm，193 mm．根據(jù)圖5b）拍攝的正側(cè)位X線片，以肘關(guān)節(jié)為起始點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其畸形參數(shù)為：屈曲50.0°；框架參數(shù)為：參考環(huán)中心軸向偏移，87 mm．通過(guò)圖6a），將測(cè)量的相關(guān)參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)軟件，依據(jù)生成的電子處方，如圖6b），矯正單一屈曲畸形．同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件對(duì)調(diào)整過(guò)程中隨機(jī)一天的外固定器支架及畸形骨段進(jìn)行三維位姿仿真，如圖7所示．矯正完成時(shí)最終6根桿長(zhǎng)為：209 mm，216 mm，214 mm，179 mm，193 mm，201 mm.外固定支架拆除后，及時(shí)進(jìn)行肘部主動(dòng)及被動(dòng)功能訓(xùn)練，恢復(fù)肘的活動(dòng)度．最終治療效果滿意，無(wú)感染及并發(fā)癥情況發(fā)生，如圖5c）．

圖5 患者外觀像及X線片F(xiàn)ig．5 Appearance and X-ray of the patient

圖6 臨床患者電子處方Fig．6 Electronic prescription of the patient in clinical

圖7 臨床患者位姿三維仿真Fig．7 Three-dimensional simulation of the patient′s correction process

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將6-DOF并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)與骨外固定技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于畸形矯正領(lǐng)域，獲得了滿意的治療效果．此技術(shù)以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立并聯(lián)型骨外固定器的數(shù)學(xué)模型及分析工作空間，設(shè)計(jì)畸形矯正算法，以數(shù)學(xué)運(yùn)算為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)輔助下指導(dǎo)醫(yī)生及患者完成桿長(zhǎng)調(diào)整，達(dá)到畸形矯正目的，是微創(chuàng)治療下數(shù)字化、精準(zhǔn)化及智能化的結(jié)合體．并且在矯正過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)型骨外固定器及畸形骨段的三維模擬仿真，便于醫(yī)生直觀地分析治療方案的正確性及可行性．

通過(guò)設(shè)計(jì)雙坐標(biāo)系，將局部坐標(biāo)系擬合到全局坐標(biāo)系，對(duì)畸形進(jìn)行六軸分析，將Ilizarov原理中在單一平面上的調(diào)整擴(kuò)展為三維空間中的任意運(yùn)動(dòng)，可同期矯正多維畸形，縮短了治療時(shí)間，減輕患者痛苦．而對(duì)于復(fù)雜畸形，又可轉(zhuǎn)化為單一畸形分多次生成處方逐步矯正，避免了二次手術(shù)引起并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)．

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The application of parallel external fixation in the upper limbs deformity correction

WEI Mengting1,ZHANG Xishuai1,SUN Hao1,2

（1.School of Control Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Engineering Research Center of Intelligent Rehabilitation,Ministry of Education,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

Conventional serialexternal fixation can't correct multidimensional deformitysimultaneously.Therefore,the 6-DOF parallel robot combined with external fixation technology to correct the complex upper limb deformity.It can correct four-dimensional deformities simultaneously.However,there are problems that the elongations of the six struts can't be calculated subjectively and the state of the deformed fragmen can't be observated.So,a computer software with independent intellectual property rights has been developed.Doctor use postoperative radiographs to measure the relevant parameters,then the measurement parameters are inputted into softwareto perform mathematical operations with computer-assisted.It will get the daily adjustment elongations of six struts with the time schedule,that is,electronic prescription.Gradual correction will be achieved through the lengthening or shortening of the struts.A three-dimensional pose simulation of the correction process is made,so that doctors can intuitively analyze the deformed state.Clinical results show that the use of parallel external fixator in correction of upper limb deformity can achieve satisfied outcomes.It improves the doctor's working efficiency and the adjustment accuracy of deformity correction.Besides,the correction process can be simplified,precise and digitized.

parallel manipulator;6-DOF;virtual reality technology;external fixation;deformity correction

TP 242.6；TP 391.4

A

1007-2373（2017） 05-0094-07

D OI：10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.05.016

2017-07-08

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAI33B06）；2017河北省研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目（220056）

魏夢(mèng)婷（1992-），女，碩士研究生，201532502021@stu.hebut.edu.cn.通訊作者：孫昊（1979-），男，副教授，sunhao@hebut.edu.cn.

[責(zé)任編輯 楊 屹]